Caracteristicas e especificações de geradores , Manuais, Projetos, Pesquisas de Engenharia Elétrica

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DT-

CARACTERÍSTICAS E

ESPECIFICAÇÕES

DE

GERADORES

TR216-

ÍNDICE

1. INTRODUÇÃO

1 1..11.. HHIISSTTÓÓRRIICC OO

O gerador elementar foi inventado na Inglaterra em 1831 por MICHAEL FARADAY, e nos Estados Unidos, mais ou menos na mesma época, por JOSEPH HENRY. Este gerador consistia basicamente de um ímã que se movimentava dentro de uma espira, ou vice- versa, provocando o aparecimento de uma f.e.m. registrado num galvanômetro.

Fig. 1.1.1 - O galvanômetro "G" indica a passagem de uma corrente quando o ímã se move em relação a bobina.

A WEG MÁQUINAS, uma das unidades do grupo WEG, iniciou suas atividades em 1980, tendo adquirido ao longo destes anos uma larga experiência e tecnologia na fabricação de geradores de pequeno e grande porte.

1 1..22.. NNOOÇÇ ÕÕEESS DDEE AAPPLLIICC AAÇÇ ÕÕEE SS

Geradores síncronos são máquinas destinadas a transformar energia mecânica em energia elétrica. Toda a energia consumida nas indústrias, residências, cidades, etc..., são proveniente destes geradores.

A WEG MÁQUINAS fabrica geradores para as seguintes aplicações:

• Geração Eólica;
• Alimentação de Fazendas, Sítios, Garimpos, Carros de Som;
• Pequenos Centros de Geração de Energia para uso Geral;
• Grupos Diesel de Emergência para hospitais e etc;
• Centro de Processamento de Dados;
• Telecomunicações;
  • Usinas Hidrelétricas;
  • Cogeração;
  • Aplicações Específicas para uso Naval, Usinas de Açúcar e Álcool, Madeireiras, Arrozeirais, Petroquímica, etc.

1.2.1. Tipos de acionamentos

A - Grupos Diesel ou Gás

São geradores acionados por Motores Diesel ou a Gás. Potência: 12.5 a 3500kVA Rotação: 1800rpm (IV pólos), 1200rpm (VI pólos) ou 900rpm (VIII pólos) Tensão: 220 a 6600V - 50 e 60Hz.

B - Hidrogeradores

São geradores acionados por Turbinas Hidráulicas. Potência: 500 a 25000 kVA Rotação: 1800 rpm ou abaixo (IV ou mais pólos) Tensão: 220 a 13800V – 50 e 60Hz

C - Turbogeradores

São geradores acionados por Turbinas a Vapor. Potência: 500 a 50000kVA Rotação: 1800rpm (IV pólos) Tensão: 220 a 13800V – 50 e 60Hz

D – Eólicos

São geradores acionados por turbinas a vento. Potência: até 1500kVA Rotação, tensão e frequência sob consulta

2. NOÇÕES FUNDAMENTAIS

2 2..11.. PPRRII NNCCÍÍ PPII OO DDEE FFUUNNCCII OONNAAMMEENNTTOO

A característica principal de um gerador elétrico é transformar energia mecânica em elétrica. Para facilitar o estudo do princípio de funcionamento, vamos considerar inicialmente uma espira imersa em um campo magnético produzido por um ímã permanente (Fig.2.1.1). O princípio básico de funcionamento está baseado no movimento relativo entre uma espira e um campo magnético. Os terminais da espira são conectados a dois anéis, que estão ligados ao circuito externo através de escovas. Este tipo de gerador é denominado de armadura giratória.

Fig. 2.1.1 - Esquema de funcionamento de um gerador elementar (armadura girante)

Admitamos que a bobina gira com velocidade uniforme no sentido da flecha dentro do campo magnético "B" também uniforme (Fig.2.1.1). Se "v" é a velocidade linear do condutor em relação ao campo magnético, segundo a lei da indução (FARADAY), o valor instantâneo da f.e.m. induzida no condutor em movimento de rotação é determinada por: e = B.l.v.sen(B^v) Onde: e - força eletromotriz (f.e.m.) B - indução do campo magnético l - comprimento de cada condutor v - velocidade linear

Para N espiras teremos:

e = B.l.v.sen(B^v).N

A variação da f.e.m. no condutor em função do tempo é determinada pela lei da distribuição da indução magnética sob um pólo. Esta distribuição

tem um caráter complexo e depende da forma da sapata polar. Com um desenho conveniente da sapata poderemos obter uma distribuição senoidal de induções. Neste caso, a f.e.m. induzida no condutor também varia com o tempo sob uma lei senoidal.

A Fig. 2.1.2.a. mostra somente um lado da bobina no campo magnético, em 12 posições diferentes, estando cada posição separada uma da outra de 30º. A Fig. 2.1.2.b. nos mostra as tensões correspondentes a cada uma das posições.

Já nos geradores de campo giratório (Fig. 2.1.3) a tensão de armadura é retirada diretamente do enrolamento de armadura (neste caso o estator) sem passar pelas escovas. A potência de excitação destes geradores normalmente é inferior a 5% da potência nominal. Por este motivo, o tipo de armadura fixa (ou campo girante) é o mais utilizado.

Fig. 2.1.2 a e b - Distribuição da Indução Magnética sob um Pólo.

Fig. 2.1.3 - Esquema de funcionamento de um gerador elementar (armadura fixa).

Fig. 2.2.2 - Ligação Triângulo.

Exemplo: Temos um sistema trifásico equilibrado de tensão nominal 220V. A corrente de linha (Il) medida é 10A. Ligando a este sistema uma carga trifásica composta de três cargas iguais ligadas em triângulo, qual a tensão e a corrente em cada uma das cargas?

Temos Vf = V1 = 220V em cada uma das cargas. Se Il = 1,732 x If, If = 0,577 x Il = 0,577 x 10 = 5,77A em cada uma das cargas.

b) Ligação estrela:

Ligando um dos fios de cada sistema monofásico a um ponto comum aos três, os três fios restantes formam um sistema trifásico em estrela (Fig. 2.2.3.a) Às vezes, o sistema trifásico em estrela é "a quatro fios" ou "com neutro". O quarto fio é ligado ao ponto comum às três fases. A tensão de linha, ou tensão nominal do sistema trifásico, e a corrente de linha são definidos do mesmo modo que na ligação triângulo.

Fig. 2.2.3 - Ligação Estrela.

Examinando o esquema da fig. 2.2.3.b vê-se que:

1. A corrente em cada fio da linha, ou corrente de linha (Il), é a mesma corrente da fase à qual o fio está ligado, ou seja, Il = If.

2. A tensão entre dois fios quaisquer do sistema trifásico é a soma gráfica das tensões das duas fases as quais estão ligados os fios considerados, ou seja, Vl = Vf x √ 3 = 1,732 x Vf. (Fig. 2.2.3.c). Exemplo: Temos uma carga trifásica composta de três cargas iguais, cada carga é feita para ser ligada a uma tensão de 220V, absorvendo, 5,77A.

Qual a tensão nominal do sistema trifásico que alimenta esta carga em suas condições normais (220V e 5,77A) Qual a corrente de linha (Il)? Temos: Vf = 220V (nominal de cada carga) Vl = 1,732 x 220V = 380V Il = If = 5,77A.

2.2.2. Tensão nominal múltipla

A grande maioria dos geradores são fornecidos com terminais do enrolamento de armadura religáveis, de modo a poderem fornecer duas tensões diferentes pelo menos. Os principais tipos de religação de terminais de geradores ou motores assíncronos para funcionamento em mais de uma tensão são:

a) Ligação série-paralela: O enrolamento de cada fase é dividido em duas partes (lembrar que o número de pólos é sempre par, de modo que este tipo de ligação é sempre possível). Ligando as duas metades em série, cada metade ficará com a metade da tensão nominal de fase da máquina. Ligando as duas metades em paralelo, a máquina fornecerá uma tensão igual à metade da tensão anterior, sem que se altere a tensão aplicada a cada bobina. Veja os exemplos numéricos da Fig. 2.2.4.

Fig. 2.2.4 - Tensão Nominal Múltipla.

2 2..33.. CCOOMM PPOORRTTAAMMEE NNTTOO DDOO GGEE RRAADD OORR

EEMM VVAAZZIIOO EE SSOOBB CC AARRGGAA

Em vazio (com rotação constante), a tensão de armadura depende do fluxo magnético gerado pelos pólos de excitação, ou ainda da corrente que circula pelo enrolamento de campo (rotor). Isto porque o estator não é percorrido por corrente, portanto é nula a reação da armadura, cujo efeito é alterar o fluxo total. A relação entre tensão gerada e a corrente de excitação chamamos de característica a vazio (Fig. 2.3.1), onde podemos observar o estado de saturação da máquina.

Fig. 2.3.1. Característica a Vazio.

Em carga, a corrente que atravessa os condutores da armadura cria um campo magnético, causando alterações na intensidade e distribuição do campo magnético principal. Esta alteração depende da corrente, do cosϕ e das características da carga, como descrito a seguir:

a) Carga puramente resistiva: Se o gerador alimenta um circuito puramente resistivo, é gerado pela corrente de carga um campo magnético próprio. O campo magnético induzido produz dois pólos (gerador bipolar Fig. 2.3.2.a) defasados de 90º em atraso em relação aos pólos principais, e estes exercem sobre os pólos induzidos uma força contrária ao movimento, gastando-se potência mecânica para se manter o rotor girando. O diagrama da fig. 2.3.2.b mostra a alteração do fluxo principal em vazio (Φo) em relação ao fluxo de reação da armadura (ΦR). A alteração de Φo é pequena, não produzindo uma variação muito grande em relação ao fluxo resultante Φ. Devido a perda de tensão nos enrolamentos da armadura será necessário aumentar a corrente de excitação para manter a tensão nominal (fig. 2.3.5).

Fig. 2.3.2 - Carga Puramente Resistiva.

b) Carga puramente indutiva: Neste caso, a corrente de carga (I)está defasada em 90º em atraso em relação a tensão (E), e o campo de reação da armadura (ΦR) estará consequentemente na mesma direção do campo principal (Φo), mas em polaridade oposta. O efeito da carga indutiva é desmagnetizante (fig. 2.3.3.a e 2.3.3.b). As cargas indutivas armazenam energia no seu campo indutor e a devolvem totalmente ao gerador, não exercendo nenhum conjugado frenante sobre o induzido (rotor). Neste caso, só será necessário energia mecânica para compensar as perdas. Devido ao efeito desmagnetizante será necessário um grande aumento da corrente de excitação para se manter a tensão nominal (fig. 2.3.5).

Fig. 2.3.3 - Carga Puramente Indutiva.

c) Carga puramente capacitiva: A corrente de armadura (I) para uma carga puramente capacitiva está defasada de 90º, adiantada, em relação à tensão (E). O campo de reação da armadura (ΦR) consequentemente estará na mesma direção do campo principal (Φ) e com a mesma polaridade. O campo induzido, neste caso, tem um efeito magnetizante (fig. 2.3.4a e 2.3.4b). As cargas capacitivas armazenam energia em seu campo elétrico e a devolvem totalmente ao gerador, não exercendo também, como nas cargas indutivas, nenhum conjugado frenante sobre o induzido (rotor). Devido ao efeito magnetizante será necessário reduzir a corrente de excitação para manter a tensão nominal (fig. 2.3.5).

Fig. 2.4.2. - Rotor de pólos salientes.

2 2..55.. RREE AATTÂÂNNCCII AASS

A análise básica do desempenho transitório de máquinas síncronas é muito facilitada por uma transformação linear de variáveis, na qual as três correntes de fase do estator ia, ib e ic são substituídas por três componentes, a componente de eixo direto id, a componente de eixo em quadratura iq, e uma componente monofásica io, conhecida como componente de seqüência zero (eixo zero). Para operação equilibrada em regime permanente (fig 2.5.1), io é nula (não sendo discutida, portanto). O significado físico das componentes de eixo direto e em quadratura é o seguinte: A máquina de pólos salientes tem uma direção preferencial de magnetização determinada pela saliência dos pólos de campo. A permeância ao longo do eixo polar ou direto, é consideravelmente maior do que ao longo do eixo interpolar ou quadratura.

Fig. 2.5.1. - Diagrama Esquemático para uma Máquina Síncrona.

Utilidade do conhecimento das reatâncias Um circuito efetivo de rotor, no eixo direto, além do enrolamento de campo principal, é formado pelas barras amortecedoras. Considerando uma máquina operando inicialmente em vazio e um curto-circuito trifásico súbito aparecendo em seus terminais, na figura abaixo pode ser observada uma onda de corrente de estator em curto-circuito tal como pode ser obtida num osciloscópio (Fig. 2.5.2).

Fig. 2.5.2 - Corrente de Armadura Simétrica em Curto-Circuito em uma máquina síncrona.

Reatância subtransitória (Xd”) É o valor de reatância da máquina correspondente a corrente que circula na armadura durante os primeiros ciclos, conforme pode ser visto na Fig. 2.5.2 (Período Subtransitório). Seu valor pode ser obtido dividindo-se o valor da tensão da armadura antes da falta pela corrente no início da falta, para carga aplicada repentinamente e à freqüência nominal.

I

E

xd =

Onde: E = Valor eficaz da tensão fase-neutro nos terminais do gerador síncrono, antes do curto- circuito. I'' = Valor eficaz da corrente de curto-circuito do período sub-transitório em regime permanente. Seu valor é dado por:

I

I " = máx

Reatância transitória (Xd’)

É o valor de reatância da máquina correspondente à corrente que circula na armadura após o período sub-transitório do curto, perdurando por um número maior de ciclos (maior tempo).

Seu valor pode ser obtido dividindo-se a tensão na armadura correspondente ao início do período transitório pela respectiva corrente, nas mesmas condições de carga.

I

E

xd =

Onde: E = Valor eficaz da tensão fase-neutro nos terminais do gerador síncrono, antes do curto- circuito. I'= Valor eficaz da corrente de curto-circuito do período transitório considerado em regime permanente. Seu valor é dado por:

I

I =

′ máx

Reatância síncrona (Xd) É o valor da reatância da máquina correspondente a corrente de regime permanente do curto-circuito, ou seja, após o término do período transitório do curto. Seu valor pode ser obtido pela tensão nos terminais da armadura ao final do período transitório do curto dividido pela respectiva corrente.

I

E

xd=

Onde: E = Valor eficaz da tensão fase-neutro nos terminais do gerador síncrono, antes do curto- circuito. I = Valor eficaz da corrente de curto-circuito em regime permanente. Seu valor é dado por:

I

I =

máxRP

A importância do conhecimento destas reatâncias está no fato de que a corrente no estator (armadura) após a ocorrência de uma falta (curto- circuito) nos terminais da máquina terá valores que dependem destas reatâncias. Assim, pode ser conhecido o desempenho da máquina diante de uma falta e as conseqüências daí originadas.

O gerador síncrono é o único componente do sistema elétrico que apresenta três reatâncias distintas, cujos valores obedecem à inequação:

Xd"< Xd' < Xd

2. 2 .66.. PPOOTTÊÊ NNCCII AA EEMM MM ÁÁQQUUIINNAASS DDEE

PÓPÓLLOOSS SSAALLIIEE NNTTEE SS

A potência de uma máquina síncrona é expressa por: P = m. Uf. If. cosϕ Onde: m - Número de fases Uf - Tensão de fase If - Corrente de fase

A potência elétrica desenvolvida em máquinas de pólos salientes também pode ser expressa em função do ângulo de carga (δ) que surge entre os fatores Uf (tensão de fase) e E 0 (força eletromotriz induzida), determinado pela posição angular do rotor em relação ao fluxo girante de estator (Fig. 2.6.1).

Fig. 2.6.1.a - Ângulo de Carga (δ) em Máquinas de Pólos Salientes.

Fig. 2.6.1.b - Diagrama de Tensão - Gerador Síncrono de Pólos Salientes.

Onde: xd e xq são as reatâncias de eixo direto e em quadratura, respectivamente: P = PD + PQ Pd = Uf. Id. senδ Pq = Uf. Iq. cosδ

A amplitude da variação (Fig. 2.7.3), expressa como um percentual do valor de pico de uma onda senoidal de referência, é o Fator de Desvio.

Fig. 2.7.3 - Amplitude de Desvio.

O fator de desvio pode ser calculado como:

Vpico

Desvio

Fdev=

2.7.3. Modulação de tensão

É a cíclica variação da amplitude de tensão, causada pela oscilação do regulador ou pela cíclica variação da carga.

2.7.4. Desequilíbrio angular

As tensões de um sistema trifásico são defasadas de 120º. Se este defasamento for diferente de 120º, o referido valor será o desequilíbrio.

2.7.5. Desbalanceamento de tensão

Desbalanceamento de tensão é a diferença entre as tensões de linha mais alta e mais baixa, e pode ser expresso em percentual da tensão média de fase.

Ex: Fase U a V - 208V (1.6% acima da média) V a W - 204V (0.33% abaixo da média) W a U - 202V (1.3% abaixo da média) Média: 204.67V Variação: 6V (2.9%)

2.7.6. Transiente de tensão

São picos de tensão de curta duração que aparecem esporadicamente e podem atingir centenas de Volts (Fig.2.7.4).

Fig. 2.7.4 - Transiente de Tensão.

2.7.7. Tolerância de tensão

São desvios máximos aceitáveis na tensão e geralmente expressos como percentuais da tensão nominal, por exemplo:

• 5%: 105% da tensão nominal continuamente

• 7,5%: 92,5% da tensão nominal continuamente

3. GERADORES WEG

Atualmente a WEG MÁQUINAS produz duas linhas de máquinas síncronas: Linha G e Linha S. A linha G é composta basicamente de máquinas padrões (seriadas) e a linha S de máquinas especiais (engenheiradas, sob pedido).

Nomenclatura das máquinas síncronas WEG

A nomenclatura das máquinas síncronas WEG é composta de letras e números conforme as tabelas abaixo:

Exemplo: G T A. 3 1 5 S I 3 1 Tipo de Máquina G Máquina Síncrona não Engenheirada S Máquina Síncrona Engenheirada

Exemplo: G T A. 3 1 5 S I 3 1 Característica T Gerador Brushless com Bobina auxiliar

P Gerador Brushless com Excitatriz auxiliar S Gerador Brushless sem auxiliar L Gerador com escovas D Motor com escovas E Motor Brushless sem Excitatriz auxiliar F Motor Brushless com Excitatriz auxiliar

M Monofásico Brushless sem Excitatriz auxiliar

N Monofásico Brushless com Excitatriz auxiliar

Q Monofásico Brushless com Bobina auxiliar

Exemplo: G T A. 3 1 5 S I 3 1 Tipo de Refrigeração A Aberto Autoventilado F Trocador de calor ar-ar W Trocador de calor ar-água I Ventilacao forçada Independente D Auto-Ventilador por Dutos T Ventilação Forçada por Dutos

L Ventilacao Forçada com Trocador Ar-água V Ventilação Forçada Aberto

Exemplo: G T A. 3 1 5 S I 3 1 Carcaças 160 até 2500

Exemplo: G T A. 3 1 5 S I 3 1 Comprimento da Carcaça S, M, L, A, B, C, D, E ,F

Exemplo: G T A. 3 1 5 S I 3 1 Aplicação I Industrial M Marinizado N Naval E Especial

Exemplo: G T A. 3 1 5 S I 3 1/B I Código do Pacote 00 até 99 ou letras

Algumas vantagens e desvantagens desse tipo de excitação:

VANTAGENS: Menor tempo de resposta na recuperação de tensão (aplicação direta de corrente contínua no rotor).

DESVANTAGENS: Exige manutenção periódica no conjunto escovas e porta escovas. Não é aconselhável a utilização em cargas sensíveis e de telecomunicações, devido a possibilidade de gerar rádio interferência em função do contato das escovas e anéis (possível faiscamento). Por isso também não pode ser utilizado em atmosferas explosivas.

3 3..33.. GGEE RRAADD OORREESS CC OOMM EE XXCCII TTAAÇÇ ÃÃOO SSEEMM

EESSCC OOVVAASS ((BBRRUUSSHHLLEESSSS))

Nesses geradores a corrente contínua para alimentação do campo é obtida sem a utilização de escovas e anéis coletores, utilizando somente indução magnética. Para isso o gerador possui um componente chamado excitatriz principal, com armadura girante e campo fixo. A armadura dessa excitatriz é montada no próprio eixo do gerador. Possui também um conjunto de diodos girantes (circuito retificador), também montado no eixo do gerador, para alimentação do campo principal em corrente contínua. Este conjunto de diodos recebe tensão alternada do rotor da excitatriz principal (armadura da excitatriz), tensão esta induzida pelo estator da excitatriz principal (campo da excitatriz), que é alimentado em corrente contínua proveniente do regulador de tensão. Um esquema dos componentes montados no rotor de uma máquina com excitação brushless encontra- se na Figura 3.3.1. O regulador de tensão monitora constantemente a tensão de saída do gerador e atua no estator da excitatriz. Com isso mantém a tensão de saída do gerador constante. A tensão alternada de saída do gerador, para alimentação das cargas, é retirada do seu estator principal (armadura) (Fig. 3.3.2 a e b).

Nos geradores brushless, a potência para a excitação (alimentação do regulador de tensão) pode ser obtida de diferentes maneiras, as quais definem o tipo de excitação da máquina. Esses tipos de excitação são:

• Alimentação através de bobina auxiliar, um conjunto auxiliar de bobinas, independente, alojado em algumas ranhuras do estator principal da máquina (armadura principal). Funciona como uma

fonte de potência independente para o regulador de tensão, não sujeita aos efeitos que acontecem no estator principal da máquina. O regulador recebe tensão alternada dessa fonte e alimenta o campo da excitatriz principal com tensão retificada e regulada. Em condições normais de operação, na bobina auxiliar é produzida uma tensão monofásica de freqüência nominal do gerador, sofrendo pequenas distorções na forma de onda dependendo do tipo de carga (resistiva, indutiva ou capacitiva). Em situações de curto-circuito, é produzida uma tensão monofásica de terceira harmônica que continua alimentando o regulador de tensão independentemente e mantém o curto-circuito. Nas máquinas síncronas WEG essa configuração de excitação é padrão para a Linha G em baixa tensão (modelos GT, vide Figura 3.3.2.a);

• Alimentação através de excitatriz auxiliar a imãs permanentes (ou PMG - “Permanent Magnets Generator”), que possui campo no rotor, a ímãs, montado no próprio eixo do gerador, e estator (armadura) fixado na tampa traseira do gerador (Linhas G ou S) ou na base, em compartimento separado do estator principal da máquina (Linha S). A excitatriz auxiliar também funciona como uma fonte de potência independente para o regulador de tensão. O regulador recebe a tensão trifásica alternada gerada no estator da excitatriz auxiliar (armadura da excitatriz auxiliar), retifica, regula e aplica-a no estator da excitatriz principal do gerador (campo da excitatriz principal). Nas máquinas síncronas WEG essa configuração de excitação é disponível mediante pedido para a Linha G (modelos GP, vide figura 3.3.2.b), e é praticamente padrão para as máquinas da Linha S (modelos SP e SF).
• Alimentação sem excitatriz auxiliar pelo próprio enrolamento de armadura da máquina, através de tap’s (para baixa tensão) ou via TP’s (para alta tensão), ou ainda, alimentação externa em locais onde há presença de rede. O regulador de tensão recebe tensão alternada de uma dessas fontes, retifica, regula e aplica-a no estator da excitatriz principal do gerador (campo da excitatriz principal). Nos geradores WEG essa configuração de excitação é disponível para os geradores da Linha S (modelos SS e SE).

Fig. 3.2.1 - Gerador com excitação por escovas.

Fig. 3.3.1 – Esquema de Excitação Brushless (componentes do rotor).

Fig. 3.3.2.a - Gerador GTA com Bobina Auxiliar.